基于小重叠偏置碰撞的某B级车车身结构改进设计.pdf

2023.06 Automobile Parts020研究与开发Research&Development收稿日期:2022-09-18作者简介:丁亚运(1990),男,硕士研究生,研究方向为车辆工程。E-mail:。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.004基于小重叠偏置碰撞的某 B 级车车身结构改进设计丁亚运1,魏新龙2 1.同济大学汽车学院,上海 201804;2.上海翼锐汽车科技有限公司,上海 201800摘要:某 B 级轿车在进行 IIHS 规程小重叠(25%)偏置碰撞测试中出现 A 柱折弯、假人受伤严重等现象,在等级评价中被评为“较差”,采用理论分析、有限元仿真和实车碰撞测试相结合的分析方法对其结构耐撞性进行改进研究。从理论角度分析小重叠偏置碰撞载荷传递路径和能量传递情况,并通过建立有限元模型模拟碰撞过程,将 CAE 仿真结果和实车测试结果进行对比,所反映的变形与侵入量较为一致。根据小偏置碰撞测试中车体结构变形及侵入量特点提出结构优化方案,对优化方案进行碰撞仿真。仿真结果表明:车辆的车体 A 柱折弯及变形程度和乘员舱侵入量明显改善,优化后的方案在等级评价中提升至“优秀”。最后将优化方案实施在实车上进行试验验证,同样获得“优秀”评级。关键词:小重叠偏置碰撞;结构耐撞性;有限元仿真;汽车安全性中图分类号:U461.91Improved Design of Body Structure of a Class B Vehicle Based on Small Overlap Offset CollisionDING Yayun1,WEI Xinlong2 1.College of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Shanghai Yirui Automobile Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201800,ChinaAbstract:A class B car was evaluated as“poor”due to the bending of A-pillar and serious injury of dummy in the small overlap(25%)offset collision test of IIHS regulations.The structural crashworthiness was improved by the combination of theoretical analysis,finite element simulation and real vehicle crash test.The load transfer path and energy transfer of small overlap offset collision were analyzed theoretically,and the finite element model was established to simulate the collision process.The CAE simulation results were compared with the real vehicle test results,and the reflected deformation was consistent with the intrusion.According to the characteristics of body structure deformation and intrusion in small offset collision test,the structural optimization scheme was proposed,and the collision simulation was carried out for the optimization scheme.The simulation results show that the bending and deformation degree of vehicle body A-pillar and the intrusion of passenger compartment are significantly improved,and the optimized scheme is upgraded to“good”in the grade evaluation.Finally,the optimization scheme is implemented on the real vehicle for experimental verification,and the“good”rating is also obtained.Keywords:small overlap offset collision;structural crashworthiness;finite element simulation;vehicle safety0 引言随着汽车保有量越来越多,交通事故案件的数量也随之增长,因此,汽车的安全性越来越受到驾乘人员的关注。根据国内外的交通事故数据研究表明,在正面碰撞造成人员伤亡交通事故中,美国小偏置正面碰撞的占比为 22%,英国高达 27%1-2。然而如此高概率的碰撞类型并没有纳入汽车碰撞安全的强制法规中。正因为小偏置正面碰撞在正面碰撞中的高占比,2012 年 8 月美国公路安全保险协会(Insurance Institute for Highway Safety,IIHS)正式发布了车辆小偏置正面碰撞的试验规范和评估标准3。同年,IIHS 公布了当时选取的 11 款主流车型在小偏置碰撞这一碰撞场景中的评级,仅有两款车获得“优秀”评级。在这样的评级结果的推动下,国外的车企重视应对小偏置碰撞的研究,进而在国外品牌上市车型这一评价规程中表现良好。虽然国内也一直在积极研究小偏置碰撞,但是多在仿真阶段4,极少应用在实车中5。2019 年 10 月中国保险汽车安全指数发布了 20162019 年 76 款车型测评报告,报告显示某 B 级车型在正面主驾 25%偏置碰撞结果评级为“较差”,如图 1 所示。本文将针对此 B 级轿车通过理论分析、仿真模拟、实车试验相结合的研究方法来进行车身结构优化,重点从结构耐撞性的角度展开研究,继而达到此车型结构耐撞性能提升,进一步在小偏置正面碰撞规程中获得更好的评级,并对后续车型开发有一定的指导作用。Automobile Parts 2023.06021Improved Design of Body Structure of a Class BVehicle Based on Small Overlap Offset Collision基于小重叠偏置碰撞的某 B 级车车身结构改进设计图 1 多款汽车正面主驾 25%偏置碰撞结果1 小重叠偏置碰撞理论研究1.1 碰撞理论研究1.1.1 碰撞测试规程IIHS 正面 25%重叠碰撞测试工况如图 2 所示。IIHS对于车辆正面 25%重叠碰撞测试规程如下:以 64 km/h 运动的车辆撞击固定在正前方的刚性避障,此避障规格为高1 524 mm、前板左端为圆弧结构、半径 150 mm、弧度115,车身与避障的重叠量为车身宽度的 25%。驾驶员位置放一个 50th Hybird 男性假人6,记录驾驶员的损伤。图 2 IIHS 正面 25%重叠碰撞测试工况根据评估规程,评估项目包含车体结构、假人损伤值、约束系统/假人运动学 3 个方面,通过对 3 个方面的评估结果加权计算得到最终的车辆正面 25%重叠碰撞的整车安全性能评估结果,结果分为 4 个等级:优秀、良好、一般、较差。目前的正面小偏置碰撞试验中主要由车体结构的评估结果决定车辆碰撞安全性能的最终结果。根据规程规定对于评估结果需要通过量化数据的形式来实现,即针对成员舱在碰撞中形变的入侵量作为量化指标。所以按照规程在乘员舱上部选取:转向管柱、A 柱上铰链、仪表板上本体、仪表板下本体,4 个测量点;在乘员舱下部选取:A 柱下铰链、搁脚板、左侧地板、制动踏板、驻车踏板、门槛梁,6 个测量点。碰撞后对每一个测量点的侵入量进行测量,按照规程取值并将数值描点到如图 3 的侵入量评估图中,即可得出整车在正面 25%重叠碰撞中安全性能评估结果。图 3 乘员舱侵入量评估结果1.1.2 碰撞载荷传递及能量吸收图 4 为某 B 级车正面 25%重叠碰撞示意。发生 25%重叠碰撞时,前防撞梁与前纵梁几乎不参与碰撞,从而无法形成有效的载荷传递路径,同时防撞梁、吸能盒、前纵梁也不会产生有效的形变来吸收碰撞中的能量。如图 5 和图 6 所示,碰撞中的载荷由机舱上边梁和轮胎传递到车身 A 柱及门槛梁。图 4 某 B 级车正面 25%重叠碰撞示意2023.06 Automobile Parts022研究与开发Research&Development图 5 碰撞中载荷传递路径(侧视)图 6 碰撞中载荷传递路径(俯视)在碰撞发生中时,车辆的前舱上边梁、乘员舱 A柱、门槛、前门以及底盘等众多零件都会发生变形或者断裂从而吸收能量,但所有的能量并不会在溃缩中完全吸收,车辆还会继续运动,即一部分剩余能量以碰撞后车身运动的动能存在7。1.2 实车碰撞情况1.2.1 车体形变情况及假人形态如图 7 所示,本文所研究的某 B 级车在正面 25%重叠碰撞中 A 柱上部折弯,A 下部上下铰链出入侵严重,左前门外板撕裂,左前门内板弯折,门槛梁前段严重溃缩,前舱上边梁完全溃缩。图 7 车体在碰撞后的整体情况照片 如图 8 所示,碰撞发生时,气囊点爆,由于转向管柱发生侧向位移,连同气囊右移,假人由于惯性作用撞向 A 柱上部,造成严重伤害。图 8 车体在碰撞中的主驾假人形态就实车碰撞结果结合规程进行分析:由于 25%的重叠量,车体防撞梁、前纵梁没有在碰撞中起到有效传导载荷以及形成有效的形变吸能。绝大部分的载荷都传递到 A 柱上,造成 A 柱上下部分都有很大的形变,甚至折弯。从轮胎上传递的载荷对门槛梁及脚踏板形成冲击而造成门槛梁溃缩和转向管柱侧移。门槛梁与 A 柱是构成乘员舱的主要部分。1.2.2 实车结构评级对经过碰撞测试的车辆进行10 个指定的测量点侵入量的测试,结果见表 1。表 1 实车碰撞后测量点侵入量测试结果单位:cm测量点侵入量测试值A 柱下铰链332左侧搁脚板203左侧足板83制动踏板86驻车制动踏板0门槛146转向管柱60A 柱上铰链244上仪表板212左下方仪表板209Automobile Parts 2023.06023 将表 1 的数值描绘到侵入量等级评定图中并连成折线,如图 9 所示。根据规程评定:乘员舱下部综合评估结果为一般,乘员舱上部综合评估结果为较差,即实车正面 25%重叠碰撞车辆结构评级为较差。图 9 实车试验乘员舱侵入量等级评价2 仿真模型搭建与校准2.1 仿真模型的搭建针对 IIHS 规程的正面 25%小偏置碰撞,建立有限元仿真模型。此处采用 Hypermesh 软件建立整车碰撞仿真模型,如图 10 所示。该模型由某 B 级车整车模型、刚性壁障以及刚性地面组成。整车质量为 1 682 kg,平均网格尺寸为 5 mm,模型的单元数为 6 134 098 个,节点数为 5 188 262 个。图 10 整车有限元仿真模型2.2 仿真模型的校准2.2.1 模型上的变形图 11 为碰撞中 50 和 100 ms 时车辆形变情况。从实车测试的记录照片与模型对比同一时间模拟的碰撞状态,可见状态高度吻合。图 11 碰撞中 50 和 100 ms 时车辆形变情况图 12 为碰撞后车辆局部(重点位置)形变情况。观察仿真模型上对应的具体部位,可见局部形变情况也是高度吻合。图 12 碰撞后车辆局部(重点位置)形变情况2.2.2 模型上的入侵量在模型中测量碰撞后测量点的侵入量,结果见表 2,并与表1 实车测试对应点的侵入量进行对比。结果表明,仿真值与试验结果趋势基本吻合。试验和仿真侵入量等级评价对比如图13 所示。由图可知,仿真模型侵入量与测试车测量值整体变化趋势一致,绝大部分测点值均在同一评价区间中。由于试验与仿真都存在一定的偶然性及测量误差,部分测量点存在一定的差距,但相差不大,在可接受范围。Improved Design of Body Structure of a Class BVehicle Based on Small Overlap Offset Collision基于小重叠偏置碰撞的某 B 级车车身结构改进设计2023.06 Automobile Parts024研究与开发Research&Development表 2 仿真侵入量测试结果单位:cm测量点仿真值A 柱下铰链325左侧搁脚板214左侧足板92制动踏板89驻车制动踏板0门槛177转向管柱47A 柱上铰链218上仪表板199左下方仪表板196图 13 试验和仿真侵入量等级评价对比结合以上形变与侵入量对比可见,仿真结果与实车碰撞结果基本吻合,即所搭建的仿真模型具有一定的可信度。3 分析与优化方案3.1 理论分析首先根据能量守恒定律,碰撞前车辆以 64 km/h 的初始速度向固定的避障直线行驶。在碰撞过程中,汽车部分零部件解体、车体前舱上边梁溃缩、车轮形变、A柱折弯、门槛梁溃缩等都吸收了部分能量,但车辆仍然有一点的速度向侧面甩开,这部分是碰撞中剩余的动能。根据对正面 25%偏置碰撞的研究,成员舱的入侵量对于评级至关重要8,所以加强乘员舱的刚度和强度是本文优化设计的主要思路,尽可能将车辆直线行驶的动能转化成侧向动能,保护驾驶舱乘员的安全。3.2 乘员舱结构优化方案优化路线分 3 个部分:优化乘员舱上部形变较大的 A 柱上部、下部(铰链处);优化乘员舱下部形变较大的门槛梁、搁脚板;优化乘员舱侧面即左前门。在实车碰撞后,拆解评估中发现 A 柱与前围匹配处焊点严重撕裂,导致前围板形变严重,从而安装在前围板上的转向管柱产生右侧位移,使得安全气囊点爆后一起右侧位移而没有对驾驶员起到安全保护的作用。如图14 所示,设计一钣金零件贴合在 A 柱与前围板的焊接翻边上,使得碰撞中这区域焊点不会撕裂。另外,对于 A柱折弯区域强度提升,基于原来热成型钢板的基础上增加内部“Path”技术,板件进入热处理之前在形变区域焊接一块补强板,在热成型炉内一体成型,很大程度上提升 A 柱上段的强度。图 14 乘员舱上部车体结构优化方案根据实车侵入量的测量,门槛梁及驾驶员搁脚板处侵入量较大,为了保证乘员舱下部结构刚度,在门槛梁内部增加一块高强度的加强板,来抵挡从车轮传递过来的载荷,如图 15 所示。此外,在驾驶员搁脚板上增加一块加强板来减小搁脚板的侵入量。图 15 乘员舱下部车体结构优化方案碰撞中,车辆左前门从 A 柱处滑出,且前门内板折弯。在此为了让左前门能够保持原来的姿态,并且能将碰撞中的部分能量传递到 B 柱,如图 16 在前门内部增加一根管状防撞管,并在防撞管的一头增加一块加强板以免碰撞中防撞管滑出,如图 16 所示。从而使碰撞中的Automobile Parts 2023.06025能量从 A 柱传递到 B 柱,且门板不产生较大弯折,即保证乘员舱的整体完整性,减小侵入量9。图 16 乘员舱侧面前门结构优化方案4 车体变形改进效果评价将上述优化结构方案加入到搭建的仿真模型中,对模型再进行一次模拟正面 25%重叠碰撞。如图 17 所示,选取优化前模型形变较大的区域与优化后的对应区域进行比较,优化前形变较大的地方明显得到了改善,A 柱也没有出现弯折,门槛梁前段也没有较明显的溃缩。图 17 优化前后车辆碰撞模拟局部形变情况优化后仿真侵入量测试结果见表 3。通过与结构优化前的数据(表 2)对比可见:结构优化后各测量点侵入量明显减小,车身结构评级乘员舱下部为优秀,乘员舱上部为优秀。优化前后仿真侵入量等级评价如图18 所示。评级也由原来的“差”上升到“优秀”。表 3 优化后仿真侵入量测试结果单位:cm测量点优化后仿真值A 柱下铰链117左侧搁脚板112左侧足板37制动踏板37驻车制动踏板0门槛43转向管柱35A 柱上铰链45上仪表板87左下方仪表板98图 18 优化前后仿真侵入量等级评价5 实车测试验证优化方案如图 19 和图 20 所示,结构优化后的试验车在正面25%重叠碰撞中 A 柱上部并没有折弯,A 下部上下铰链处侵入量小且评级结果优秀,左前门外板有撕裂,左前门内板保持原有的姿态,门槛梁前段溃缩量很小且评级结果优秀,前舱上边梁溃缩属于合理吸能形变。图 19 优化后测试实车整体形变图 20 优化后测试实车局部形变对优化后试验车辆结构各个测量点侵入量的数值进行测量,结果见表 4。优化方案实车测试等级评估如图Improved Design of Body Structure of a Class BVehicle Based on Small Overlap Offset Collision基于小重叠偏置碰撞的某 B 级车车身结构改进设计2023.06 Automobile Parts026研究与开发Research&Development21 所示。由图可见:优化后试验车辆车身结构评级乘员舱下部为“优秀”,乘员舱上部为“优秀”。车辆结构最终评级为“优秀”。表 4 优化方案实车测试结果单位:cm测量点侵入量测试值A 柱下铰链125左侧搁脚板110左侧足板45制动踏板38驻车制动踏板0门槛39转向管柱35A 柱上铰链48上仪表板82左下方仪表板107图 21 优化方案实车测试等级评估6 结论(1)从理论角度分析小重叠偏置碰撞载荷传递路径和能量传递情况,并通过建立有限元模型模拟碰撞过程,将 CAE 仿真结果和实车测试结果对比,所反映的变形与侵入量较为一致。根据小偏置碰撞测试中车体结构变形及侵入量特点提出结构优化方案,对优化方案进行碰撞仿真,仿真结果显示车辆的车体 A 柱折弯及变形程度和乘员舱侵入量明显改善,优化后的方案在等级评价中提升至“优秀”。最后试验实车验证了优化方案有明显的等级提升效果。(2)通过对 A 柱上端、下段的局部加强,有效地防止了方向盘在碰撞中右侧位移,A 柱也不会出现弯折;通过对门槛梁前段、搁脚板局部的加强,乘员舱下部侵入量有明显的减小;通过对乘员舱前门内部加强,有效地支撑了碰撞中 A 柱的姿态,也很好地将碰撞载荷传递到车身后部。本研究对于正面 25%重叠碰撞的实车结构改进和前期设计有一定的参考意义。参考文献:1 SHERWOOD C P,NOLAN J M,ZUBY D S.Characteristics of small overlap crashesC/Proc 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